一種門座起重機自動化作業控制系統

許鎮杰

廣州港工程管理有限公司

1 引言

門座起重機(以下簡稱門機)通用性強、機動性高，可配合吊鉤、抓斗以及集裝箱吊具完成多種貨物裝卸工作，廣泛應用于港口生產作業。然而門機自動化作業水平低、高強度人工作業以及操作不規范等因素，易導致駕駛員身體健康受損、貨物灑漏、環境污染等問題。

結合散雜貨港口工作環境及自動化作業功能需求，從起重機定位、安全防護、遠程控制角度出發，完成門機自動化作業方案的設計，可監測管理散雜貨港口多臺門機，對加快散雜貨港口自動化發展具有一定意義。

2 自動化作業控制系統設計框架

常規門機需要通過駕駛員對貨物種類形狀及貨物在裝卸過程中起重機的起升高度、變幅幅度、回轉角度進行人工判斷。為提高門機裝卸效率，推進智能港口的建設，根據散雜貨港口門機工況和設備特點，主要實現門機自動作業及半自動化作業兩大功能，并以此為基礎詳細介紹半自動化作業、自動化作業及遠程控制作業的工作流程及系統配置方案。

2.1 半自動化作業控制系統功能要求

門機在半自動化作業時，由駕駛員手動標定起升安全高度和料斗位置，起重機主機控制系統記錄相應位置信息，同時駕駛員通過主令手柄手動選擇取料點并控制吊具落到物料上，然后選擇半自動控制模式，此時半自動控制系統控制起升、變幅和回轉機構運行，平穩地將吊具移動至目標位置上方并自動進行吊具下放、歸位控制。此外，為保證作業安全，半自動作業下駕駛員可隨時手動介入起重機控制，當起重機主機控制系統檢測到駕駛員手動介入時立即解除半自動化作業模式，進入到手動操作模式。

2.2 自動化作業控制系統功能要求

傳統門機通過增配吊具防搖定位系統、行走定位系統、安全防撞系統等實現門機自動化作業。門機在自動化作業時，駕駛員在中控室可以通過觸摸屏界面上選定作業船舶型號、作業物料代號、作業目標量、裝卸場地等信息，使起重機可按照指定的作業量，在裝料船只和卸料位置間往復自動作業，或通過視頻監控系統對門機必要作業區域進行實時監控。

為滿足門機自動化控制的需求，除主機電氣控制系統外，起重機還配置1臺自動化控制柜，用于獲取各機構位姿以實現防撞、防搖等功能。該自動化控制系統與主機控制系統進行通信，實現數據交互。

2.3 遠程作業控制系統功能要求

門機的電氣控制系統可與碼頭控制系統相互兼容，并需提供至少以下2種接入方式到碼頭控制系統，使遠程作業控制系統與半自動作業控制系統相互配合：

(1)通過硬線方式就近接入到轉運站現場PLC分站，具體信號點根據最終調試需求以及散雜貨港口需求進行調整。

(2)通過單模光纖或無線傳輸裝置接入到碼頭控制系統，與碼頭控制系統進行數據通訊。

此外，駕駛員可利用中控室遠程操作臺進行一對一遠控作業。遠程操作臺上布置了遠程操作所需的按鈕、操作手柄、顯示屏、語音通話設備以及其他配件。遠程操作臺具有以下基本功能：

(1)遠程操作臺所采用的手柄、按鈕、觸摸屏等符合工業控制的等級要求。操作臺的高度合適，并可根據操作人員需求調整，各操作部件及顯示屏幕的布置要緊湊，并且便于駕駛員操作，符合長時間連續作業需要。

(2)遠程操作臺上設置有急停按鈕，當出現特殊情況時，能立即停止門機所有動作，進入鎖定狀態等待人工干預。

(3)遠程操作臺配置UPS(Uninterruptible Power Supply,不間斷電源)，當供電電源突然斷電時，UPS可持續為中控室供電，使操作員能夠完成當前作業指令并停機，保存當前數據。

(4)遠程操作臺配置可在空閑時選擇脫機，脫離工作狀態。

2.4 散雜貨港口作業環境及設計執行標準

門機自動化作業控制系統的設計、制造、安裝和施工工藝均應滿足港口所在地氣候及環境條件的特點，所有的控制箱/柜、低壓元器件均符合現場的防腐、防塵、防雷電、防漏電、防暴雨、防臺風等的要求。門機自動化作業控制系統設計執行標準見表1。

表1 門機自動化作業控制系統設計執行標準

3 自動化作業控制系統關鍵技術

3.1 定位系統

為實現散雜貨碼頭多臺門機自動化作業要求，需在起重機主要機構配置定位檢測系統，單門機定位系統硬件配置見表2。

表2 單門機定位系統硬件配置

(1)起升機構定位檢測：裝配絕對值編碼器、增量型編碼器以實現對起升高度距離的計算。

(2)變幅機構定位檢測：裝配絕對值編碼器、增量型編碼器以實現對變幅角度的計算，并在臂架鉸點處安裝傾角傳感器實現對變幅角度數據的校驗。

(3)回轉機構定位檢測：裝配絕對值編碼器、增量型編碼器以實現對回轉角度的計算，通過接近開關實現對絕對值編碼器的零位校正。

(4)行走機構定位檢測：裝配絕對值編碼器以實現對起重機行走位置的計算，利用RFID磁釘實現對絕對值編碼器數據的校準。裝配北斗差分定位系統裝置輔助行走機構定位檢測，北斗差分定位系統由起重機上安裝的移動站、港口固定位置的地面基站、中控室后臺應用服務器及上位機終端操作系統組成(見圖1)。移動基站用于獲取行走機構數據，采集單機行走位置及速度信息；地面基站提供精度校正功能，共享多臺起重機行走定位。

圖1 北斗差分定位系統框圖

(5)激光掃描技術：通過裝配激光掃描儀實時掃描建模系統識別貨垛形狀、貨位高低、船舶艙口位置，以設定裝卸料位置的坐標；三位圖像處理軟件負責整合、計算掃描儀采集到的數據，從而形成三維圖像，實時監控門機自動化作業。

3.2 安全防護系統

3.2.1 防撞系統

行走機構防撞系統設為三級防護，依次為減速、停止、極限限位，信號接入起重機主機電氣控制系統中，當檢測到障礙物時可以實現自動減速停車，語音提示軌道附近的人員和車輛離開軌道走行區域，同時在中控室顯示屏顯示故障報警并進行閉鎖保護。此外，還可在行走機構前后方向安裝攝像頭及毫米波雷達裝置，擴大監測范圍，以防止外來人員或車輛誤闖起重機行走區域。

臂架防撞系統，主要依托各機的精準定位和準確的位姿獲取，通過軟件算法實現。在港口空間有限情況下，起重機臂架前端兩側之間存在重合區域易造成碰撞風險(見圖2)。

圖2 臂架重合區域分析

該臂架防撞設為兩級防護，第一級為基于傳感器的防碰撞系統，第二級為基于機器視覺的防碰撞預測系統。

基于傳感器的防撞系統，主要由導軌式測距儀、傾角傳感器、回轉定位模塊及其校準模塊等構成。為檢測臂架兩側有無障礙物及障礙物的距離，各門機將本機的行走機構位置、變幅幅度、回轉角度等數據發送到防撞系統微控制單元，即MCU芯片，從而建立各門機運動模型，計算相鄰門機之間的運動范圍，并判斷出臂架之間是否會存在作業區域重疊。若存在碰撞風險，則防撞系統報警，并向起重機主機電氣控制系統發送禁止左/右回轉指令。

基于機器視覺防碰撞預測系統，主要采用激光掃描儀的動態掃描數據，首先建立與臂架識別測距相關的坐標系；然后建立與之對應的激光雷達坐標，利用微控制單元進行雷達數據處理及傳感器信息融合；最后考慮起重機工作環境、駕駛員操作習慣以及制動影響等因素建立安全距離模型，從而形成預測報警系統。

3.2.2 吊具防搖定位系統

當回轉機構運動時，吊具會產生變幅方向的離心力，導致回轉及變幅兩方向上的慣性疊加到一起，大大增加了吊具防搖定位難度，故吊具防搖系統是門機實現自動化作業的關鍵。

為了滿足門機自動化作業對吊具防搖定位系統精度和實時性的要求，采用內置防搖定位功能模塊的回轉變頻器實現吊具防搖定位功能，以變頻器防搖控制為基礎，在吊具安裝航姿參考系統模塊，將吊具姿態角(俯仰角、橫滾角、航向角)、三維加速度、三維角速度實時傳輸至起重機主機電氣控制系統，在控制程序內進行吊具運動分析，使其與變頻器形成閉環防搖控制[1]。首先利用起升絕對指編碼器獲取實時高度并計算吊具擺動角度，然后通過變幅絕對值編碼器及回轉絕對值編碼器進行角度校準，最后利用鐘擺原理，通過修改發給起重機主機電氣控制系統的速度命令信號，實現連續限制擺動功能，由此對吊具進行相應的加速或減速操作以抵消擺角，使得本系統具備各機構聯動狀態下的自動防搖功能。

3.2.3 起重機狀態監測與健康管理系統

狀態監測與健康管理系統由各低壓電氣元器件、智能潤滑系統、力矩限制器系統、門禁系統、火災報警及消防系統等構成[2]，各外圍系統可根據起重機相應結構或功能進行數據采集，獲取機構運行方向、電機溫度控制、網絡通訊等狀態信息，并通過Profinet DP、以太網、單模光纖或無線傳輸裝置傳輸至門機主機PLC系統、CMS管理系統以及中控室RCMS管理系統，從而形成完整的數據信息庫，使系統實現狀態實時監測、狀態回放、故障信息收集、故障查詢等管理功能并生成相應的文檔信息(見圖3)。

圖3 門機外圍系統數據采集典型框架圖

4 結語

為實現門機遠程操作且自動化作業效率達到人工作業效率的90%的目標，根據門機機械結構、機構運行、吊具工況等特點，分析了門機自動化作業控制系統關鍵技術，為推動門機遠程自動化作業建設提供實踐參考依據，具有較好的推廣前景。